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Sesión 8: Codificación Multimedia I

  • Tiempo: 2h (50 + 50min)
  • Fecha: Jueves 23 Marzo 2023
  • Objetivos de la sesión:
    • Visión general del funcionamiento del Audio
    • Viaje desde el Audio físico hasta el audio digital

Contenido

Introducción

En esa sesión se muestra una panorámica general del mundo multimedia, usando el audio como ejemplo, pero que también es aplicable al vídeo: Desde el fenómeno físico hasta la parte digital, haciendo hincapié en los fundamentos y en las tecnologías existentes.

Audio físico

Las señales acústicas son ondas de presión que se propagan por el aire.

Las moléculas del aire vibran perpendicularmente a la propagación de la onda.

Cuando hablamos, nuestras cuerdas vocales se ponen a vibrar.

Golpean a las moléculas de aire y estas a su vez a otras, por lo que el sonido se va propagando.

Si medimos lo que se mueve una molécula (su vibración) con respecto al tiempo, obtenemos una gráfica que tiene una determinada forma.

Atenuación

Una propiedad muy importante del sonido es que la frecuencia sólo depende de la fuente.

Esto significa que si emitimos un tono puro de frecuencia f, esta frecuencia se propagará tal cual.

No aparecerán nuevas componentes de frecuencia, ni esta frecuencia se verá alterada por ningún fenómeno natural.

Si medimos el movimiento de las moléculas a diferentes distancias, sí apreciaremos una atenuación: la forma de la onda se va haciendo cada vez más pequeña, pero la frecuencia permanece inalterable: NO CAMBIA.

La forma de onda que veríamos sería exactamente la misma que la original, pero más pequeña.

La frecuencia sería exactamente f, que es la de la fuente.

Cambio de medio

¿Y qué ocurre cuando el sonido pasa de un medio a otro?

¿Se modifica la frecuencia?

  • La frecuencia es un invariante: el medio NO la cambia.

Sólo depende de la fuente.

Cualquier onda al pasar de un medio a otro NO cambia su frecuencia.

Por tanto, al pasar por los diferentes medios, cambiará su velocidad de propagación, y su atenuación, pero al final, en el medio 3, mediremos exactamente el mismo tono original, con la misma frecuencia f, pero más atenuado.

Por ello, dado un tono puro de frecuencia f, su forma no cambia nunca, aunque sí su tamaño, ya que se va atenuando

Distorsión

Seguimos con el ejemplo de la señal acústica producida al hablar.

Cuando lo hacemos, no emitimos tonos puros, sino señales con formas más complejas.

¿Y qué ocurre en estos casos? ¿La forma de la onda recibida en un punto más lejano es igual a la forma original, aunque atenuada?

Estas formas, en realidad, las podemos descomponer como combinaciones lineales de tonos.

Sabemos que cada tono mantiene su forma, sólo sufre atenuación.

Para calcular la forma final podeos basarnos en los tonos individuales, de los que conocemos sus propiedades y luego sumarlos para recomponer la señal final.

La nueva forma obtenida, ¿es igual a la original pero atenuada?

Desafortunadamente la respuest es NO.

Aunque existe un caso en el que sí que se cumple: ¿Cómo conseguimos que la forma de la onda original se mantenga?

Esto ocurre si los tonos que componen la onda sufren la misma atenuación al propagarse.

Cuando la forma de la onda cambia, decimos que hay distorsión.

Y se produce porque las atenuaciones son diferentes para las frecuencias que componen la forma original.

Unas frecuencias se atenúan más que otras, para la misma distancia.

Fijaros en un efecto muy importante de esto.

Si la forma de onda transporta información, nos interesa que esta forma no cambie.

O lo que es lo mismo, si la forma cambia, perdemos información

Audio electrónico

¿Cómo podemos llevar una señal de audio físico a un sitio lejano?

¿Cómo llevamos ese movimiento de las moléculas de aire a otro sitio?

Una solución podría ser poner un altavoz ENORME, que transmita a las moléculas muchísima energía 😂😂😂

No parece una opción muy seria

La solución es crear una señal análoga a la física, pero en otro medio.

Una señal que tenga la misma forma de onda, pero que represente otra magnitud que no sea la presión.

¿Qué tal voltaje?

Eso es precisamente lo que hace un micrófono: Es un transductor piezo-electrico. Convierte la señal de presión a voltaje.

Aparece un voltaje que tiene una forma análoga a la forma de onda de la señal de presión del sonido recibido.

Esta nueva señal que aparece en el cable, que es análoga a la señal de sonido, se denomina señal analógica.

Y como es una señal que representa audio, se denomina audio analógico.

La señal acústica se ha convertido en una señal de voltaje.

Al colocar una carga y cerrar el circuito, se convierte la señal de voltaje en una señal de corriente.

Lo que se consigue es que ... ¡¡Los electrones vibren de manera análoga a como lo hacen las moléculas del aire!! ¡Hemos transmitido la vibración de las moléculas a los electrones! ¡¡Hemos copiado la señal acústica en señal eléctrica!!

Electrónica analógica

¿Sabes en qué consiste la electrónica?

En lograr que los electrones hagan lo que nosotros queremos.

Un ingeniero electrónico es en realidad ... ¡Un domador de electrones!.

Los científicos (físicos) descubren las "reglas" de cómo se comportan los electrones, y el ingeniero las usa para domar los electrones, y lograr que se mueven de la forma que el ingeniero necesita.

Como ejemplo para ilustrar estas ideas vamos a usar un circuito muy sencillo: encender un diodo LED.

Si conectamos un LED directamente a una fuente de alimentación (a una pila), se cierra el circuito y empieza a circular una cantidad ENORME de corriente.

Tanta que al cabo de pocos segundos el LED se destruye.

¿Cómo lograr que el LED se encienda sin que se rompa? Hay que domar los electrones, para hacer que circulen menos.

Esto lo logramos colocando una resistencia en serie.

Este proceso de regular la corriente se denomina polarizar un LED.

En este caso, la misión del ingeniero domador es encontrar el valor óptimo de la resistencia que optimiza la solución.

Si colocamos una resistencia pequeña, el LED luce más, pero también consume más.

Si colocamos una resistencia mayor, el LED luce menos, y además consume menos.

Gracias a la electrónica analógica tenemos una capacidad enorme para captar, manipular, almacenar, transportar y reconstruir la señal de Audio.

Ahora sí que podemos llevar el audio a lugares lejanos sin tener que usar un altavoz enorme 😂

Esta figura resume el proceso de transmisión

  • Captura:

Al hablar se genera la señal acústica (física) que tiene una forma de onda determinada.

El micrófono la convierte a una señal de electrónica analógica, de manera que aparece una señal eléctrica "análoga" a la acústica: tiene su misma forma, pero ahora son los electrones los que vibran en vez de las moléculas.

O dicho de otra forma, los electrones vibran de manera análoga a las moléculas del aire.

  • Manipulación:

La señal analógica se puede modificar.

Por ejemplo para amplificarla.

La salidas de los micrófonos es una señal electrónica muy pequeña.

Hay que amplificarla para poder tratarse en los sistemas siguientes.

  • Almacenamiento:

La señal analógica se puede almacenar en sistemas de almacenamiento magnéticos: Se convierte a una señal magnética, que es análoga a la eléctrica.

Y también se puede leer: es el paso inverso.

Convertir la señal magnética otra vez en señal eléctrica.

  • Transmisión:

La señal analógica se transmite hacia un lugar lejano, usando un medio de transmisión, que pueden ser ondas electromagnéticas que se propagan por el vacío o señales eléctricas por un cable.

Para hacer esto la señal analógica hay que modificarla y transformarla.

  • Recepción:

La señal se recibe en la otra parte del mundo, a través de un receptor.

Lo que se obtiene es una señal igual a la enviada, aunque puede estar más atenuada o amplificada.

  • Reconstrucción:

Finalmente, la señal se convierte nuevamente a una señal acústica a través de un altavoz.

Los electrones que vibran de forma análoga a las moléculas de aire siguiendo la forma de la onda original, pasan por un electroimán que genera un campo magnético que hace a su vez vibrar una membrana que golpea las **moléculas de aire transmitiendoles el patrón original de movimiento, y por tanto nuestro oído humano escucha el mismo sonido (o al menos, algo muy parecido).

Señales analógicas e información

La información que contienen estas señales analógicas es el patrón de movimiento de las moléculas de aire que representa un sonido que nosotros entendemos: una palabra, una frase, etc...

Es decir, que la información está ligada a la forma de la onda.

¿Y qué ocurre si esta forma de la onda cambia? Pues que perdemos información o perdemos calidad.

Una palabra dejaremos de entenderla si su forma de onda cambia mucho.

Y estos cambios en la forma de la onda son inevitables.

Los dos más importantes son:

  • La distorsión: las diferentes frecuencias de la señal sufren diferentes atenuaciones. Este efecto se va acumulando.
  • El ruido: Los electrones no son entes estáticos, sino que vibran. Y esta vibración cambia con la temperatura. Los electrones que transportan la señal analógica vibran por esta señal, pero le suman su propia vibración: La señal analógica ya no es exactamente igual, sino que incorpora este ruido
  • Amplificación del ruido: El ruido se combina con la señal analógica y forma parte de ella. Ya no los podemos separar. Por tanto, al amplificarla, también se amplifica este ruido

La pregunta entonces es... ¿Existe una forma mejor de transportar y almacenar las señales que nos garantice que no se van degradando?. ¡SI! ¡EL AUDIO DIGITAL! 🙂

Niveles

Antes de abordar el Audio digital, vamos a hacer un viaje por los diferentes niveles de la tecnología actual: Del átomo al software.

En ciencia y en ingeniería dividimos el conocimiento por niveles.

El modelo es como el que ya conocéis de las capas de red.

En cada capa se introduce una abstracción, y permite abordar nuevos problemas sin tener que conocer los detalles de los niveles inferiores.

Nivel 1: Átomo de silicio

Empezaremos nuestra torre desde el nivel del átomo.

Habría más niveles por debajo: partículas subatómicas, mecánica cuántica..., pero fijaremos el del átomo como punto de partida.

La física y la química son las rama de la ciencia que se estudian este nivel.

En el caso de la electrónica, el átomo que más nos interesa es el de Silicio (Si) que es la base de todo.

El Átomo de silicio está representado en esta figura:

¡OJO! ¡Es una representación para entender sus propiedades, pero Físicamente el átomo no es exactamente así!

Las diferencias son:

  1. El núcleo es muchísimo más pequeño en comparación con los orbitales.
  2. Los orbitales no están tan bien definidos. En realidad los electrones están "por todos lados", pero con mayor probabilidad se encuentran en las zonas verdes. En la realidad todo es mucho más difuso

El núcleo tiene 14 protones y 14 neutrones (lo que le da un peso atómico de 28).

En el nivel exterior tiene 4 orbitales P, cada uno con 1 electrón, lo que le permite formar enlaces covalentes con otros átomos.

Los orbitales forman un tetraedro, en el que el núcleo está en el centro y cada orbital apunta hacia uno de los 4 vértices de este tetraedro.

  • Aplicación práctica: Esta representación del átomo de Silicio está modelada con el programa FreeCAD.

Descarga su modelo 3D y ábrelo con FreeCAD para entender mejor su estructura.

  • Materiales. Uniendo átomos se obtienen materiales. Física del estado sólido (Ej. Si. Cristales de Silicio)
    • Cristales de Si: No conductores. e- están fijados. No se pueden mover. No hay corriente. No se pueden domar
  • Semiconductores. Materiales artificiales creados por el hombre (no existen en la naturaleza). Cristales de Si dopados. Si N, e- de más. Si P, e- de menos
    • Unión PN--> diodos
    • Unión NPN --> Transistor!
  • Transistor
    • Amplificar
    • Digital: dos estados

Audio digital

  • Problema de los sistemas analógicos. Información asociada a la forma de la onda. Se degrada
  • Conversión a números
  • Garantizado por las matemáticas: Teorema de Nyquist

  • Señal digital: Números. Estamos en el reino de los números. ¡Matemáticas!
  • No hay degradación por copia
  • Información en números
  • Números fáciles de manipular
  • El audio digital son... números!
  • ¡Bienvenidos al mundo digital!

Electrónica digital

  • Circuitos electrónicos especializados en el tratamiento de números. Manipulación, almacenamiento y transporte de números.
  • Diseñador: Lograr que los números hagan lo que nosotros queremos
  • Actualmente: Números en binario
  • Tecnología actual: Bit 0: 0v, Bit 1: 5v, 3.3v, 1.8v
  • Circuito digital: Manipula bits

Bits: Niveles

  • Transistor (niveles anteriores). Primer nivel lógico
  • Puertas lógicas: Digital
    • Combinando transitores obtenemos puertas lógicas
    • Base de nuestra sociedad digital
  • Microprocesador
    • puertas lógics --> Mux, Reg, Alus.. --> Micros
    • ¡Máquina universal!
  • Software. ¡Mundo del software!

Mundo digital

  • Vivimos en una sociedad digital. ¿Qué significa? ¡Que todo son números!
  • ¡Todo lo que nos llega son números!
  • Internet: Red digital. Especializada en el transporte de números. ¡Cualquier señal se puede convertir a número!

Descargas

Curioso

Nuevo componente para controlar circuitos digitales: un switch

Este panel no necesita conexión hardware, es para probar

Autor

Jesús Parrado Alameda (jesusgpa)

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